技术派|让印度欢呼的国产“大火箭”:进步大但落后国际水平

澎湃新闻特约撰稿 张雪松

2017-06-06 14:30 来源:澎湃新闻

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6月5日,印度使用GSLV- MK III火箭将一颗通信卫星送入预定轨道。这是印度航天梦寐以求的“大火箭”首次进行轨道发射,其发射成功将让印度航天运载能力上到一个新的台阶,是印度跻身国际航天发射主流水平的标志。
被寄予厚望的印度大火箭
GSLV- MK III又称LVM3火箭,从印度空间研究组织(ISRO)专门为它取的新名字可以看出,印度航天非常重视该火箭的研制。LVM3火箭虽然还在GSLV火箭家族中,但实际上是完全不同的运载火箭。
LVM3火箭高43.43米,芯级直径4米,整流罩直径5米,采用液体芯一级加大推力固体助推器,再外加氢氧上面级的构型设计,总体构型类似美国的大力神-IIIE火箭。LVM3的芯一级被称为L110,意为大约装载110吨液体推进剂,安装了两台并联的Vikas液体火箭发动机。该火箭发动机综合性能和我国长征火箭上的YF-20发动机相近,这是印度在运载火箭上首次尝试和突破大推力液体发动机并联技术。
LVM3火箭的S200固体助推器由GSLV- MK II等火箭的基础上发展而来,S200表示固体推进剂装药量约200吨,单发最大推力可达500多吨,两台S200固体助推器就可以让LVM3火箭腾空而起。LVM3火箭的C25氢氧上面级是它最大的亮点,名为C25理论上加注25吨推进剂,根据最新数据加注量实际上是28吨。印度的C25氢氧上面级使用CE-20氢氧发动机,这种的燃气发生器循环氢氧发动机推力20吨,真空比冲443秒,在上面级氢氧发动机中独占鳌头,LVM3火箭性能尤其是运载能力能有大幅度提高,CE-20发动机居功甚伟。
LVM3火箭的同步转移轨道运载能力为4吨,近地轨道运载能力为8吨。根据印度发布的发射简报,LVM3火箭的第一次实用发射(D1)将发射一颗I-3K平台的通信卫星,卫星编号GSAT-19,重量3136千克。印度在以往,重量如此大的卫星只能求助于阿里安宇航公司搭载,随着LVM3火箭的诞生,印度终于可以用国产火箭发射自制的全系列通信卫星。此外,LVM3火箭还可以增强印度竞争商业通信卫星发射的能力。
印度运载火箭技术进步明显
LVM3火箭对印度来说是革命性的进步,首先体现在它的运载能力上。新型LVM3火箭同步转移轨道运力可达4吨,而以前的GSLV MKII型火箭虽然几经改进,但同步转移轨道运载能力仍然只有2.5吨,这样的运力不仅远离商业通信卫星的主流重量,甚至无法发射印度自己研制的I-3K系列通信卫星都无能为力。
GSLV MK II火箭和PSLV火箭是印度20世纪90年代急就章的产物,使用单发Vikas发动机和S139等固体火箭发动机拼凑而来,其中PSLV甚至搞出了少见的固-液-固-液四级设计,虽然这些年实际发射的可靠性不错,但总体方案过于复杂。GSLV MK II火箭使用S139改作为芯一级,捆绑4个单发Vikas发动机的液体助推器,出现了液体助推器比固体芯级燃烧时间更长的问题,把本来可以实现的“一级半”设计变成了一级设计,降低了运载系数。GSLV MK II火箭作为一种三级火箭,即使采用了俄罗斯的RD-56M分级燃烧循环氢氧发动机,由于上面级推进剂不多,火箭运载能力还是严重不足。
LVM3火箭在总体和技术上有了巨大的进步,它的总体设计向国际运载火箭的主流靠拢,可以看作印度版大力神-IIIE火箭,火箭发射时两台S200助推器工作将其发射到高空,固体助推器燃尽前芯一级L110的两台Vikas高空点火。虽然外形上和阿里安5火箭相似,但它芯一级采用高空点火方式和大力神-IIIE火箭相同,不过它并非大力神-IIIE的简单模仿,LVM3火箭的L110芯一级之上就是C25氢氧上面级,没有采用GSLV -MK II或大力神-IIIE常规液体芯二级的设计。这种设计的好处是减少火箭级数,提高火箭固有可靠性,可以用于未来的载人航天工程。总而言之,LVM3实际是博采美欧之长并且具有印度特色的三级大型运载火箭。
技术差距依然不小
随着GSLV -MK II火箭的成熟和LVM3火箭的成功,印度在运载火箭领域取得了更大的进步。这种进步是和印度以往火箭纵向对比,和国际先进水平仍有很大的差距,即使对比在主流水平中相对落后的中国,性能和技术差距也十分明显。
LVM3火箭地球同步转移轨道运载能力4吨,首次只发射重量为3136千克卫星,这表现在国际上只能用平庸来形容。中国的长征三号乙火箭在1997年发射成功,当时长征三号乙火箭同步转移轨道运载能力已经达到了5.1吨,具备发射各种商业通信卫星的能力,运力上超过了LVM3。并且当下主流大型通信卫星普遍5吨以上,LVM3火箭的运力显然鞭长莫及,只能用于竞争3.5吨上下中型通信卫星的发射订单。
运力不足是一方面,运载系数不高也不利于其在国际上竞争,即使和中国老一代长征火箭相比,LVM3火箭运载系数也不高,体现出印度在火箭设计制造上的综合劣势。中国的长征三号丙火箭捆绑了两个液体助推器,同样是三级火箭的布局,同步转移轨道运载能力超过3.9吨,只比印度最新的LVM3火箭理论运力略低,但长征三号丙火箭早就在发射嫦娥系列月球探测器中验证了最大运载能力。更重要的是,长征三号丙火箭起飞质量只有345吨,而LVM3火箭起飞质量高达640吨,两者几乎相差一倍,中国老一代运载火箭的运载系数本来就比国际先进水平低一些,LVM3的运载系数并不好看。
有人会指出,这是因为印度LVM3火箭使用了低比冲的大推力固体助推器,但类似布局构型的大力神-IIIE火箭起飞重量约644吨,同步转移轨道运载能力可达7吨,同样比LVM3火箭强得多。LVM3火箭运载系数低下,是印度航天尤其是基础工业整体水平不足导致的,并非一朝一夕能解决。印度目前正在研制200吨级高压补燃液氧煤油发动机,计划用它来升级LVM3火箭。被称为“统一运载火箭”(ULV)的火箭芯一级将使用200吨级推力的高压补燃液氧煤油发动机,推进剂加注量160吨,助推器装药增加到230吨,外加上面级加注量增加到30吨。这种构型的ULV火箭同步转移轨道运载能力将增加到6.2吨,可以胜任发射大多数商业通信卫星的任务。由于印度的LVM3火箭的发射才刚刚开始,ULV火箭还很遥远,这也从侧面反映出印度运载火箭与中国以及其他航天大国的差距。
责任编辑:谢瑞强澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 印度火箭

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